CN103286441A - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置，其能够提高偏转或偏转/分支构件的设计的自由度以使得结构变得容易形成，并抑制加工时的对被加工物的损坏。该装置具备：用于载置被加工物的工作台（2）；输出激光束的激光输出部（15）；用于使来自激光输出部（15）的激光束偏转、分支的偏转分支机构（31）；用于使偏转后的激光束绕方向与偏转后的激光束的方向不同的旋转轴线旋转的像旋转器（14）；以及用于使激光束在被加工物上聚光的fθ透镜（20）。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及对被加工物照射激光束来进行加工的激光加工装置。

背景技术

作为激光加工装置，已知例如专利文献1所示的装置。在这种加工装置中，将波长大约为532nm的绿色激光束照射于玻璃基板等工件。绿色激光束一般是透过玻璃基板的，但如果将激光束聚光且其强度超过某个阈值，则玻璃基板吸收激光束。在这样的状态下，在激光束的聚光部会产生等离子体，由此，玻璃基板蒸发。利用以上那样的原理，能够进行在玻璃基板上形成孔等加工。

另外，在专利文献2中示出了用于使激光束在工件的表面上以描画圆、椭圆等的轨迹的方式旋转或者沿左右、上下、倾斜等任意的方向扫描的激光加工装置。

另外，在专利文献3中示出了这样的技术：采用衍射光学元件（DOE）在玻璃基板上形成多个聚光点，并使该多个聚光点一边旋转一边沿着加工线扫描，由此加工玻璃基板。

专利文献1：日本特开2007-118054号公报

专利文献2：日本特开平8-192286号公报

专利文献3：日本特开2011-11917号公报

在前述那样的现有的激光加工装置中，使用于使激光束偏转的构件或用于使激光束偏转和分支的构件旋转。在这样的结构中，偏转构件或偏转/分支构件受到很多的制约。例如，需要使以上的各构件的旋转平衡良好，或者需要使以上的各构件相对于入射光束不倾斜，以免偏转角受到影响。另外，在各构件由多个元件构成的情况下，即使以高速旋转，也必须防止各元件之间的位置关系等被破坏。

并且，在采用专利文献3所示那样的DOE的情况下，可以认为能够消除以上的问题。可是，在采用DOE的情况下，比有助于加工的±1次的衍射光高次的衍射光被照射至加工线的外侧。存在由于该照射而使得玻璃基板受到损坏这样的问题。

发明内容

本发明的课题在于，提高偏转或偏转/分支构件的设计的自由度以使结构变得容易形成，并抑制加工时的对被加工物的损坏。

本发明的另一课题在于缩短加工时间。

本发明的第1方面的激光加工装置是对被加工物照射激光束来进行加工的装置，所述激光加工装置具备：工作台，其用于载置被加工物；激光输出部，其输出激光束；激光束偏转构件，其使来自激光输出部的激光束偏转；像旋转器，其用于使偏转后的激光束绕方向与偏转后的激光束不同的旋转轴线旋转；以及聚光构件，其用于使激光束聚光于被加工物。

在该装置中，使从激光输出部输出的激光束偏转而输入至像旋转器。输入至像旋转器的激光束绕方向与偏转后的激光束不同的旋转轴线旋转，并通过聚光构件聚光于被加工物。

在此，由于分开设置像旋转器和用于使激光束偏转的偏转构件，因此，无需使偏转构件旋转。因此，使得偏转构件的设计的自由度增加，从而容易构成偏转构件。另外，由于像旋转器能够使入射的激光束以像旋转器的旋转速度的两倍的速度旋转，因此能够缩短加工时间。

关于本发明的第2方面的激光加工装置，在第1方面的装置中，还具备分支构件，所述分支构件配置于激光输出部与像旋转器之间，用于使偏转后的激光束分支。

在此，通过使激光束分支，激光束在被加工物上的多个位置聚光。因此，能够进一步缩短加工时间。

关于本发明的第3方面的激光加工装置，在第2方面的装置中，分支构件以使得由聚光构件聚光的激光束位于一个圆周上的方式对激光束进行分支。

在通过分支构件对激光束进行分支的情况下，也能够以使分支后的激光束呈直线状排列的方式进行分支。可是，在通过像旋转器使激光束旋转的情况下，在该旋转轨迹上排列配置的方式能够进一步缩短加工时间。

因此，在该第3方面的装置中，以这样的方式使激光束分支：使得在被加工物上聚光的激光束位于一个圆周上、即位于通过像旋转器旋转的旋转轨迹上。

关于本发明的第4方面的激光加工装置，在从第1至第3方面的装置中，还具备激光束扫描部，所述激光束扫描部用于使由聚光构件聚光后的激光束在沿被加工物的表面的平面内在任意的方向进行扫描。

关于本发明的第5方面的激光加工装置，在第2方面的装置中，分支构件具有光束分离器。

关于本发明的第6方面的激光加工装置，在第2方面的装置中，分支构件具有光纤分路器。

在以上这样的本发明中，在使用激光的玻璃基板的加工中，用于偏转、分支的结构容易形成，而且与以往相比能够缩短加工时间。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的激光加工装置的外观立体图。

图2是工作台的放大立体图。

图3是将激光照射头的结构放大后示出的立体图。

图4是示出偏转分支机构和像旋转器的示意图。

图5是示出偏转分支机构的一个例子的图。

图6是用于说明扫描聚光点的动作的示意图。

图7是用于说明偏转分支机构、中空马达（像旋转器）以及fθ透镜的作用的示意图。

图8是用于说明在Z轴方向控制聚光点的作用的示意图。

图9是示出偏转分支机构的另一例子的图。

图10是示出偏转分支机构的另一例子的图。

图11是示出偏转分支机构的又一例子的图。

图12是示出激光输出部和偏转分支机构的另一例子的图。

图13是示出激光输出部和偏转分支机构的又一例子的图。

图14是示出聚光位置的另一例子的图。

图15是示出聚光位置的又一例子的图。

标号说明

2：工作台；

3：激光照射头；

5：工作台移动机构；

14：像旋转器；

15：激光输出部；

16：光学系统；

17：中空马达；

18：X方向电流镜（galvano mirror）；

19：Y方向电流镜；

20：fθ透镜；

31：偏转分支机构；

50：光纤分路器。

具体实施方式

［整体结构］

在图1中示出本发明的一个实施方式的激光加工装置的整体结构。该激光加工装置是用于对玻璃基板照射激光以进行开孔等加工的装置，该激光加工装置具备：基座1；工作台2，其用于载置作为工件的玻璃基板；以及激光照射头3，其用于对玻璃基板照射激光。在此，如图1所示，在沿基座1的上表面的平面中，将互相正交的轴作为X轴、Y轴，将与这些轴正交的铅直方向的轴定义为Z轴。另外，将沿X轴的两个方向（＋方向和-方向）定义为X轴方向，将沿Y轴的两个方向定义为Y轴方向，将沿Z轴的两个方向定义为Z轴方向。

［工作台及其移动机构］

（工作台2）

工作台2形成为矩形状，在工作台2的下方设有用于使工作台2沿X轴方向和Y轴方向移动的工作台移动机构5。

如图2中放大后示出的那样，工作台2具有多个块6。该多个块6是用于将在图中由双点划线示出的玻璃基板G以从工作台2的表面抬起的方式支承的部件，该多个块6由于避开了玻璃基板G的加工线L（由虚线示出），因此能够安装于工作台2的任意位置。另外，在工作台2呈格子状形成有多个进气口2a，并且，在各块6形成有沿上下方向贯穿的进气孔6a。进而，通过连接块6的进气孔6a和工作台2的进气口2a，能够吸附固定配置在块6上的玻璃基板G。并且，用于进气的机构由公知的排气泵等构成，省略详细的说明。

（工作台移动机构5）

如图1所示，工作台移动机构5具有：各一对的第1及第2导轨8、9；和第1及第2移动工作台10、11。一对第1导轨8在基座1的上表面沿Y轴方向延伸地设置。第1移动工作台10设在第1导轨8的上部，且在下表面具有以移动自如的方式与第1导轨8卡合的多个引导部10a。第2导轨9在第1移动工作台10的上表面沿X轴方向延伸地设置。第2移动工作台11设在第2导轨9的上部，且在下表面具有以移动自如的方式与第2导轨9卡合的多个引导部11a。在第2移动工作台11的上部，经由固定部件12安装有工作台2。

借助于上述那样的工作台移动机构5，工作台2沿X轴方向和Y轴方向移动自如。并且，关于第1及第2移动工作台10、11，虽然省略了详细的说明，但是由公知的马达等驱动构件驱动。

［激光照射头3］

如图1和图3所示，激光照射头3装配于在基座1的上表面配置的门型框架1a，激光照射头3具有：激光输出部15；光学系统16；中空马达17，在其内部组装有像旋转器14（参照图4）；X方向电流镜18；Y方向电流镜19；以及作为聚光透镜的fθ透镜20。另外，还设置有X轴方向移动机构21和Z轴方向移动机构22，该X轴方向移动机构21用于使激光照射头3沿X轴方向移动，该Z轴方向移动机构22用于使中空马达17、X方向电流镜18、Y方向电流镜19以及fθ透镜20沿Z轴方向移动。

（激光输出部15）

激光输出部15由与以往相同的激光管构成。利用该激光输出部15，将波长532nm的绿色激光束沿Y轴向与工作台2相反的一侧射出。

（光学系统16和像旋转器14）

光学系统16用于将来自激光输出部15的激光束向组装于中空马达17的像旋转器14引导。如在图3中放大后所示的那样，该光学系统16具有第1～第4镜25～28；功率监视器29，其用于测量激光输出；光束扩展器（beam expander）30；以及偏转分支机构31。

第1镜25配置于激光输出部15的输出侧附近，将沿Y轴方向射出的激光束向X轴方向反射。第2镜26在X轴方向上与第1镜25排列配置，将沿X轴方向行进的激光束向Y轴方向反射，并向工作台2侧引导。第3镜27配置在中空马达17的上方，将被第2镜26反射过来的激光束向下方（Z轴方向）引导。第4镜28在偏转分支机构31的横向接近配置，将被第3镜27反射过来的激光束经由偏转分支机构31引导至中空马达17。光束扩展器30配置在第2镜26与第3镜27之间，是为了将被第2镜26反射过来的激光束扩展成恒定倍率的平行光束而设置的。利用该光束扩展器30，能够使激光束聚光成更小的光斑。

如图4所示，偏转分支机构31配置在中空马达17的前段。在图5中示出了偏转分支机构31的一个例子。图5所示的偏转分支机构31具有：光束分离器31a，其用于对来自第4镜28的激光束进行分支；和反射镜31b，其反射来自光束分离器31a的激光束。通过这样的结构的偏转分支机构31，能够将输入到光束分离器31a的激光束分支成以成为旋转中心的光轴C0为中心偏转角度θ的两束激光束。

如前所述，像旋转器14配置于中空马达17的内部。如图4和图6的示意图所示，中空马达17在中心具有沿X轴方向延伸的旋转轴线C0，包括该旋转轴线C0的中央部为中空的。并且，在该中空部配置有像旋转器14。像旋转器14为公知的结构，通过像旋转器14绕光轴C0旋转，使得由射出的激光束形成的像也旋转。并且，在像旋转器14以预定速度旋转的情况下，射出的像以两倍的预定速度旋转。

（X、Y方向电流镜）

如公知那样，X方向电流镜18和Y方向电流镜19是在电扫描器（galvano scanner）中使用的镜。X方向电流镜18是用于使激光束在玻璃基板G上的聚光点沿X轴方向扫描的镜。另外，Y方向电流镜19是用于使激光束在玻璃基板G上的聚光点沿Y轴方向扫描的镜。通过驱动这些镜18、19，能够使聚光点在沿玻璃基板G的表面的平面内在任意的方向进行扫描。

（fθ透镜）

fθ透镜20是用于使激光束在玻璃基板G上或在玻璃基板G中的Z轴方向的任意位置聚光的透镜。但是，Z轴方向的聚光位置在X轴方向和Y轴方向都仅能够在例如30mm左右的有限范围内进行控制。

（激光照射头的支承和搬送系统）

如前所述，以上那样的激光照射头3被支承于基座1的门型框架1a。更详细而言，如图3所示，在门型框架1a的上表面设有沿X轴方向延伸的一对第3导轨36，该一对第3导轨36和未图示的驱动机构构成了X轴方向移动机构21。并且，支承部件37移动自如地支承于一对第3导轨36。支承部件37具有：横支承部件38，其被第3导轨36支承；和纵支承部件39，其从横支承部件38的工作台2侧的一端向下方延伸。在纵支承部件39的侧面设有沿Z轴方向延伸的一对第4导轨40，该一对第4导轨40和未图示的驱动机构构成了Z轴方向移动机构22。第3移动工作台41以沿Z轴方向移动自如的方式支承于第4导轨40。

并且，激光输出部15、第1～第3镜25～27、功率监视器29以及光束扩展器30被横支承部件38支承。另外，第4镜28、偏转分支机构31、中空马达17、X及Y方向电流镜18、19以及fθ透镜20被第3移动工作台41支承。

［动作］

接下来，对利用激光进行的玻璃基板的加工动作进行说明。

首先，在工作台2的表面设置多个块6。此时，如图2所示，将多个块6配置成避开玻璃基板G的加工线L。在如上述那样设置的多个块6上载置要加工的玻璃基板G。

接下来，通过X轴方向移动机构21使激光照射头3沿X轴方向移动，并且，通过工作台移动机构5使工作台2沿Y轴方向移动，使激光照射头3的激光束的聚光点定位于加工线L的开始位置。

在如上述那样使激光照射头3和玻璃基板G移动至加工位置后，向玻璃基板G照射激光束来进行加工。在此，从激光输出部15射出的激光束被第1镜25反射而被引导至第2镜26。并且，通过功率监视器29测量入射至第1镜25的激光束的激光输出。入射至第2镜26的激光束向Y轴方向被反射，光束被光束扩展器30扩展并引导至第3镜27。然后，在第3镜27反射的激光束进一步由第4镜28反射，输入至偏转分支机构31。如图5所示，从偏转分支机构31输出两束激光束，该两束激光束分别以光轴C0为中心偏转角度θ。该两束激光束被输入到在中空马达17的中心部设置的像旋转器14。

通过像旋转器14、X方向及Y方向电流镜18、19、fθ透镜20在玻璃基板G形成多个聚光点。关于该动作，在下面详细地进行说明。

在图7中示意性地示出了偏转分支机构31、像旋转器14以及fθ透镜20的作用。输入至偏转分支机构31的激光束被分支成2束激光束。在该示例中，示出了通过偏转分支机构31和fθ透镜20形成在圆周上以180。间隔配置的两个焦点（聚光点）的例子。并且，利用中空马达17使像旋转器14绕光轴C0旋转，由此，能够使两个聚光点以它们的中心轴线C0（光轴C0）为中心旋转。

在此，如前述那样，在像旋转器14通过中空马达17以某一旋转速度v旋转的情况下，从像旋转器14输出的两束激光束以旋转速度2v旋转。

并且，通过控制两个电流镜18、19，由此使旋转的两个聚光点沿加工线L（在图2中为矩形，在图6中为圆形）扫描。即，两个聚光点一边以它们的中心轴线C0为中心旋转一边沿加工线进行扫描。

在此，通过激光束的一次加工除去的玻璃的高度为数十μm。因此，在对玻璃基板G进行开孔加工的情况下，即使使聚光点沿加工线扫描一次，一般也难以形成孔，即，难以将加工线的内侧的部分切掉。

因此，通常，首先，以在玻璃基板G的下表面形成聚光点（加工部位）的方式控制fθ透镜20（参照图8的（a））。在该状态下使聚光点沿加工线巡回一次后，控制fθ透镜20，由此如图8的（b）所示，使聚光点上升。进而，同样地，在使聚光点沿加工线巡回一次后，使聚光点进一步上升。通过反复执行以上的动作，能够将加工线的内侧部分切掉而形成孔。

并且，存在加工线的范围较广而超过了X方向电流镜18和Y方向电流镜19的扫描范围的情况。在这样的情况下，在进行了前述那样的加工后，通过工作台移动机构5使工作台2沿X轴方向和Y轴方向移动，来变更玻璃基板G的位置。然后，只要与前述同样地通过两个电流镜18、19使激光束扫描进行加工即可。

［特征］

（1）由于分开设置用于使激光束的聚光点绕旋转轴线旋转的机构（像旋转器14）和用于使激光束偏转分支的机构（偏转分支机构31），因此，在构成偏转分支用的机构时，无需考虑旋转平衡，从而使得设计的自由度增加。

（2）根据与（1）相同的理由，如图5所示，即使输入到偏转分支机构31的激光束的方向与从偏转分支机构31输出的两束激光束的方向中的一个相同，也能够在被加工物形成两个聚光点，并使它们绕旋转轴线旋转。

（3）通过使用像旋转器14，能够使被加工物上的聚光点高速旋转。因此，能够缩短加工时间。

［其它实施方式］

本发明并不限定于以上那样的实施方式，能够在不脱离本发明的范围情况下进行各种变形或修正。

（偏转分支机构的其它示例-1）

在图9和图10中示出偏转分支机构的其它示例。在该示例中，采用光纤分路器50作为偏转分支机构。图9所示的光纤分路器50具有两个输入连接器51a、51b和两个输出连接器52a、52b。并且，在它们之间具有熔接有光纤的部分50a。

在该光纤分路器50中，使从各输入连接器51a、51b输入的激光束分别分支地输出至两个输出连接器52a、52b。因此，在将该光纤分路器50应用于图1所示的装置的情况下，只要将来自第4镜28的激光束仅输入至一个输入连接器即可。

并且，如图10所示，在光纤分路器50的两个输出连接器52a、52b的各自的输出侧配置准直透镜54a、54b，并以预定的角度配置它们的单元55a、55b，由此构成了偏转分支机构。

在图10的示例中，来自两个单元55a、55b的激光束以角度2θ交叉。通过改变这些单元55a、55b的配置，也能够改变分支角度（2θ）。

并且，也可以将激光束分支为3束以上。在这种情况下，优选将3束以上的激光束在玻璃基板上的聚光点配置于一个圆周上。

（偏转分支机构的其它示例-2）

在图11中示出偏转分支机构的其它示例。在该示例中，与图9和图10所示的例子同样，采用光纤分路器作为偏转分支机构。并且，将两个输出连接器52a、52b配置成使来自它们的激光束平行地射出。另外，在两个输出连接器52a、52b的输出侧配置有透镜57。

在该图11的示例中，通过改变两个输出连接器52a、52b距光轴C1的距离L（但是，距光轴C1为等距离），还能够改变分支角度（2θ）。

并且，与之前的示例同样，也可以将激光束分支为三束以上，并将三束以上的激光束在玻璃基板上的聚光点配置在一个圆周上。

（偏转分支机构的其它示例-3）

图12所示的示例是具备多个激光输出部的示例。即，在该示例中，设置有多个半导体激光器LD。并且，在各半导体激光器LD的输出侧配置有准直透镜60。在此，在分支角度2θ的范围内分支为多束激光束。在该图12所示的结构的后段设有像旋转器和fθ透镜。

并且，将多个半导体激光器LD配置成，使多个激光束在玻璃基板上的聚光点位于一个圆周上。

（偏转分支机构的其它示例-4）

图13所示的示例是图12所示的示例的变形例。在该装置中，具有多个半导体激光器LD、透镜62以及一个准直透镜63，所述透镜62与各半导体激光器LD相对应地配置，通过各透镜62后的激光束输入至所述准直透镜63。与图12中的示例同样，在该图13所示的结构的后段设有像旋转器和fθ透镜。另外，将多个半导体激光器LD配置成，使多个激光束在玻璃基板上的聚光点位于一个圆周上。

（其它示例）

（a）在前述实施方式中，在像旋转器的前段设置偏转分支机构，使输入的激光束偏转、分支，但也可以设置仅用于进行偏转的机构。

（b）在前述实施方式中，将作为聚光构件的fθ透镜配置在像旋转器的后段，但也可以配置在前段。

（c）在前述实施方式中，如图7所示，在圆周上形成有两个聚光点，但聚光点的个数、配置并不限定于此。例如，也可以如图14所示，将激光束分支为4束，并使它们的聚光点呈直线状排列。在这种情况下，可以在加工宽度内均匀地照射激光束。

另外，如图15所示，也可以形成为呈放射状配置多个聚光点。具体来说，在图15的示例中形成为，在圆周上以等角度间隔形成4个聚光点，并且，以包括这些聚光点的方式沿X轴方向和Y轴方向分别呈直线状以等间隔排列4个聚光点。

（d）使用fθ透镜作为聚光构件，但是，聚光构件只要是能够使激光束聚光的透镜即可，并不限定于fθ透镜。

（e）在前述实施方式中，使用玻璃基板作为被加工物，但被加工物只要是能够利用激光束进行加工的部件即可，并不限定于玻璃基板。

Claims (6)

1.一种激光加工装置，所述激光加工装置对被加工物照射激光束来进行加工，

所述激光加工装置具备：

工作台，其用于载置被加工物；

激光输出部，其输出激光束；

激光束偏转构件，其使来自所述激光输出部的激光束偏转；

像旋转器，其用于使偏转后的激光束绕方向与偏转后的激光束不同的旋转轴线旋转；以及

聚光构件，其用于使激光束在所述被加工物上聚光。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，

所述激光加工装置还具备分支构件，所述分支构件配置于所述激光输出部与所述像旋转器之间，用于使偏转后的激光束分支。

3.根据权利要求2所述的激光加工装置，

所述分支构件以使得由所述聚光构件聚光的激光束位于一个圆周上的方式对激光束进行分支。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的激光加工装置，

所述激光加工装置还具备激光束扫描部，所述激光束扫描部用于使由所述聚光构件聚光后的激光束在沿所述被加工物的表面的平面内在任意的方向进行扫描。

5.根据权利要求2所述的激光加工装置，

所述分支构件具有光束分离器。

6.根据权利要求2所述的激光加工装置，

所述分支构件具有光纤分路器。

Images